化工专业实验报告实验名称：共沸精馏实验人员：聂子杨同组人：唐剑鑫任天宇实验地点：天大化工技术试验中心624室实验时间：2013年4月16日年级 2010 ；专业化工；组号 9 ；学号 3010207103 指导教师：齐晓舟实验成绩：共沸精馏一．实验目的及要求1．通过实验加深对共沸精馏过程的理解。

2．熟悉精馏设备的构造，掌握精馏操作方法。

3．能够对精馏过程做全塔物料衡算。

4.学会使用气相色谱分析气、液两相组成。

二.实验原理1.过程原理精馏是利用不同组份在气一液两相间的分配，通过多次气液两相间的传质和传热来达到分离的目的。

对于不同的分离对象，精馏方法也会有所差异。

例如，分离乙醇和水的二元物系。

由于乙醇和水可以形成共沸物，而且常压下的共沸温度和乙醇的沸点温度极为相近，所以采用普通精馏方法只能得到乙醇和水的混合物，而无法得到无水乙醇。

为此，在乙醇一水系统中加入第三种物质，该物质被称为共沸剂。

共沸剂具有能和被分离系统中的一种或几种物质形成最低共沸物的特性。

在精馏过程中共沸剂将以共沸物的形式从塔顶蒸出，塔釜则得到无水乙醇。

这种方法就称作共沸精馏。

乙醇—水系统加入共沸剂苯以后可以形成四种共沸物。

现将它们在常压下的共沸温度、共沸组成列于表 1。

为了便于比较，再将乙醇、水、苯三种纯物质常压下的沸点列于表2。

从表1和表2列出沸点看，除乙醇一水二元共沸物的共沸点与乙醇沸点相近之外，其余三种共沸物的沸点与乙醇沸点均有10 ℃左右的温度差。

因此，可以设法使水和苯以共沸物的方式从塔顶分离出来，塔釜则得到无水乙醇。

整个精馏过程可以用图1来说明。

图中A、B、W分别为乙醇、苯和水的英文字头；ABZ 、AWZ、BWZ代表三个二元共沸物，T表示三元共沸物。

图中的曲线为25℃下乙醇、水、苯三元混合物的溶解度曲线。

该曲线下方为两相区，上方为均相区。

图中标出的三元共沸组成点T是处在两相区内。

以T为中心，连接三种纯物质A、B、W及三个二元共沸点组成点ABZ 、AWZ、BWZ，将该图分为六个小三角形。

如果原料液的组成点落在某个小三角形内。

当塔顶采用混相回流时精馏的最终结果只能得到这个小三角形三个顶点所代表的物质。

故要想得到无水乙醇，就应该保证原料液的组成落在包含顶点A的小三角形内，即在ΔATABz或ΔATAWz内。

从沸点看，乙醇—水的共沸点和乙醇的沸点仅差0.15 ℃，就本实验的技术条件无法将其分开。

而乙醇一苯的共沸点与乙醇的沸点相差10.06℃，很容易将它们分离开来。

所以分析的最终结果是将原料液的组成控制在ΔATABz中。

图1中F代表未加共沸物时原料乙醇、水混合物的组成。

随着共沸剂苯的加入，原料液的总组成将沿着FB连线变化，并与AT线交于H点，这时共沸剂苯的加入量称作理论共沸剂用量，它是达到分离目的所需最少的共沸剂量。

上述分析只限于混相回流的情况，即回流液的组成等于塔顶上升蒸汽组成的情况。

而塔顶采用分相回流时，由于富苯相中苯的含量很高，可以循环使用，因而苯的用量可以低于理论共沸剂的用量。

分相回流也是实际生产中普遍采用的方法。

它的突出优点是共沸剂的用量少，共沸剂提纯的费用低。

图12.设备原理本实验所用的精馏塔为内径Ф20×200mm的玻璃塔。

内装Ө网环型Ф2×2 mm的高效散装填料。

填料层高度1.2 m。

塔釜为一只结构特殊的三口烧瓶。

上口与塔身相连：侧口用于投料和采样；下口为出料口；釜侧玻璃套管插入一只测温热电阻，用于测量塔釜液相温度，釜底玻璃套管装有电加热棒，采用电加热，加热釜料，并通过一台自动控温仪控制加热温度，使塔釜的传热量基本保持不变。

塔釜加热沸腾后产生的蒸汽经填料层到达塔顶全凝器。

为了满足各种不同操作方式的需要，在全凝器与回流管之间设置了一个特殊构造的容器。

在进行分相回流时，它可以用作分相器兼回流比调节器；当进行混相回流时，它又可以单纯地作为回流比调节器使用。

这样的设计既实现了连续精馏操作，又可进行间歇精馏操作。

此外，需要特别说明的是在进行分相回流时，分相器中会出现两层液体。

上层为富苯相、下层为富水相。

实验中，富苯相由溢流口回流入塔，富水相则采出。

当间歇操作时，为了保证有足够高的溢流液位，富水相可在实验结束后取出。

3.实验试剂乙醇（化学纯），含量95%；苯（分析纯），含量99.5%三．实验流程本实验采用间歇精馏方法，流程如图2，具体步骤如下：1. 称取80克95％的乙醇和一定量的苯，加入塔釜中。

2. 向全凝器中通入冷却水，并开启釜电加热系统，调节加热电流慢慢升至0．4A（注意不要使电流过大，以免设备突然受热而损坏）。

待釜液沸腾，开启塔身保温电源，调节保温电流，上段为0.2A ，下段为0.2A ，以使填料层具有均匀的温度梯度，保证全塔处在正常的操作范围内。

3. 当塔头有液体出现，全回流20分钟稳定后，调节回流比进行混相回流操作，回流比为5：1条件下运行20分钟后，将回流比调至3：1。

4. 每隔20分钟记录一次塔顶、塔釜温度，同时对塔釜液进行色谱分析。

5. 待分相器内液体开始溢流，并分成两相，上层为苯相，下层为水相，且能观察到三元沸物在苯相苯中以水珠形态穿过，溶于水相中，此时，将回流比调为1:3，同时每隔20分钟取塔釜气项试样进行纯度分析，期间还分别对原料乙醇和苯进行色谱分析，确定其组成。

6. 待塔釜中乙醇含量大于99 ．5％时，停止加热，让塔内持液全部流至塔釜，取出釜液。

7. 将塔顶馏出液用分液漏斗分离。

并依次用气相色谱仪分析富水相、富苯相以及釜液组成，并分别称重。

8. 切断设备的供电电源，关闭冷却水，结束实验。

图2 共沸精馏流程四.实验现象及数据记录设备编号：2 乙醇质量：80g 苯质量：35.4g表3 精馏过程各时刻实验记录备注：1.进料量：0.4μL2.气相色谱操作条件：柱1压力：0.075MPa 柱2压力：0.075MPa桥电流：100mA 信号衰减：6 汽化室温度：110℃柱箱温度：145℃检测室温度：110℃3.各物质校正因子：水：0.707 乙醇：1.000 苯：1.160五．数据处理及结论1.色谱数据处理计算举例（以富水相样品为例）：计算公式：其中于是：水水同理：乙醇乙醇苯苯2.全塔物料衡算进料总质量：塔顶出料及塔釜出料总质量：塔内残余量：塔内水残余量：水塔内乙醇残余量：乙醇塔内苯残余量：苯3.富水相和富苯相组成：有色谱分析处理结果得：富水相组成：水：2.7g 乙醇：5.2g 苯：1.5g 富苯相组成：水：0.5g 乙醇：3.5g 苯：16.8g 4.塔顶三元共沸物的组成水乙醇苯5.25℃下乙醇—水—苯三元物系的溶解度曲线查资料得该三元物系在25℃下平衡组成如下：用CAD作图如下图3 25℃下乙醇—水—苯三元物系的溶解度曲线其中：共沸点为理论共沸点，A、B、W分别代表乙醇、苯、水，BF为加料线六．结果分析及讨论1.误差分析：计算得三元共沸物组成为：水乙醇苯各相对误差为：水乙醇苯从以上计算结果可以看出，各物质的相对误差比较大。

其原因主要是该计算方法仅仅计算的只是塔顶馏出液的组成，而塔顶馏出液除了含有三元共沸物外，还含有二元共沸物，故误差较大。

此外，由于苯有很强的挥发性，也会在一定程度上使苯的含量减少，引起误差。

因此，为了准确得到三元共沸物的组成，必须提升装置的精准度，尽量增加三元共沸物的含量。

2.产品分析从实验过程中最后一次塔釜液的色谱分析结果知，乙醇的含量已经到达了99.3%，但在停止加热后塔釜液的组成中，不但乙醇的含量下降至85.5%，还出现了早已消失的苯。

其原因是停止加热后精馏塔中残留的气体冷凝回流到塔釜液中，使塔釜液的乙醇含量减少。

因此，为了能够得到所希望的产物，可在停止加热后尽早分离塔釜液体。

七.思考题1.需要测出哪些量才可以作全塔的物料衡算？具体的衡算方法是什么？总共需要六个数据才能对全塔进行物料衡算，具体分别是：1、塔釜液质量；2、塔顶富水相质量；3、塔顶富苯相质量；4、塔釜残液各组分质量分数；5、塔顶富水相各组分质量分数；6、塔顶富苯相各组分质量分数；7、原料液质量；8、原料液各组分的质量分数。

具体衡算方法如下：忽略塔内总持液量的影响，对塔内各个组分分别计算其原料中含量和最后馏出物及产品含量的差，如果结果近似等于0，则认为该组分在全塔范围内守恒。

否则需要将塔内损失考虑在内。

2.将计算出的三元共沸物组成与文献值比较，求出其相对误差，并分析实验过程中产生误差的原因。

见误差分析3.出无水乙醇共沸精馏外，查文献说明，还有那些物系，可以用共沸精馏方法分离？1）苯酚—水混合物可以以甲苯为共沸剂进行分离2）醋酸—水混合物可以以对二甲苯为共沸剂进行分离3）正己烷—乙酸乙酯混合物可以以丙酮为共沸剂进行分离。